Зміст
І. 1. Особливості становлення квантової механіки та її предмету.
2. Основні принципи квантово-механічного опису.
ІІ. Чим відрізняються статистичні закономірності в природі від динамічних. Наведіть приклади.
ІІІ. 1. За яке видатне відкриття два радянських фізика і один американський були удостоєні в 1963 р. Нобелівської премії. Як воно пов'язане з квантовою механікою.
І. 1. Особливості становлення квантової механіки та її предмету
Квантова механіка - це фізична теорія, що встановлює спосіб опису та закони руху на мікрорівні. Її поява співпала з початком століття. В основі квантово - польовий картини світу (КПКМ) лежить нова фізична теорія - квантова механіка, що описує стан і рух мікрооб'єктів. Це була четверта після механіки, електродинаміки та теорії відносності фундаментальна фізична теорія. Вона є базою для розвитку сучасного природознавства. Її розробка стала найбільшою революцією в пізнанні світу. В основі квантової механіки лежать фундаментальні ідеї про квантуванні фізичних і величин і корпускулярно - хвильовому дуалізмі. Ідея квантування сформувалася на основі ряду відкриттів в кінці XІX - початку XX століть.
У 1897 р. був відкритий електрон, його заряд виявився елементарним тобто самим найменшим, що існують у природі у вільному стані. Заряд будь-якого тіла дорівнює цілому числу елементарних зарядів. Таким чином, електричний заряд дискретний, рівність q = ± ne представляє формулу квантування електричного заряду.
У другій половині XX ст. в результаті дослідження теплового випромінювання було відкрито ряд законів: Кірхгофа, Стефана - Больцмана, Вина
М. Планк у 1900 р. припустив таку теорію (Квантова гіпотеза Планка), що світло випускається неподільними порціями енергії - квантами і математично представив це у вигляді формули
Е = h v
де V - частота світла, а h - універсальна стала, що характеризує міру дискретної порції енергії, якою обмінюються речовина і випромінювання. У атомну теорію увійшли, таким чином, переривчасті фізичні величини, які можуть зміняться тільки стрибками.
Планк ввів у фізику нові вистави. Сам того ж не бажаючи Планк зробив переворот у фізиці. Його гіпотеза стала початком нової квантової фізики (стара отримала назву класичної). Квантова гіпотеза з моменту її появи наполегливо пробивала собі дорогу у фізичних уявленнях і світогляді фізиків. В кінці XІX ст. в результаті експериментів було встановлено три закони фотоефекту - це явище виривання електронів з речовини під дією світла.
Два з них - незалежність енергії вибивається електрон від інтенсивності світла, а залежність її тільки від частоти і наявності для кожної речовини червоною кордону фотоефекту (мінімальної частоти, при якій фотоефект ще можливий) - не пояснювалися на основі уявлень ЕМКМІ.
У 1905 році для вирішення цих труднощів молодий А. Ейнштейн не тільки прийняв квантову гіпотезу Планка, але і розширив її, припустив, що світло не тільки випромінюється квантами, а й поширюється і поглинається квантами
Він першим зрозумів, дискретність - властивість світла. Електромагнітне поле - потік квантів (фотонів) Ейнштейну вдалося пояснити всі експериментальні дані, пов'язані з явищу фотоефекту, випускання речовиною електронів під впливом електромагнітного випромінювання.
Електрони, поглинаючи фотони, збільшують свою енергію і в результаті здатні залишити речовина.
У 1911 англійський фізик Е. Резерфорд припустив модель атома: електрони рухаються за законами Максвелла навколо значно більше масивного атомного ядра. Резерфорд вивчав проходження a - частинок через тонку металеву фольгу. Його модель атома дозволяла пояснити результати експериментів, але вона суперечлива.
У 1913 р. Н. Бор припустив, що електрони перебувають на стаціонарних орбітах і не випромінюють енергію. Порція енергії випромінюється лише при переході з однієї стаціонарної орбіти на іншу:
hv = Ен - Ек
де Ен і Ек - енергія електрона на його початковій і кінцевій орбітах.
Істотно новий імпульс квантово - механічні подання отримали завдяки, висунутої в 1924р. французьким фізиком Л.де Бройлем гіпотези, так званого корпускулярно - хвильового дуаделізма. Він стверджував, що частинки матерії (а не тільки фотони) мають як корпускулярними, так і хвильовими властивостями. Теорія Бора дозволила зрозуміти і пояснити атомні спектри та іншої експериментальний матеріал, накопичений у фізиці в кінці XІX першої чверті XX ст. Це був безперечний успіх. Послідовною теорією атомних і ядерних процесів стала квантова механіка, створена в 1924-1927 рр..
У квантовій механіці однакові частки в однакових умовах можуть поводитися по - різному. Закони квантової механіки - закони статистичного характеру. Квантова механіка відмовляється від пошуку індивідуальних законів елементарних частинок і встановлює статистичні закони.
На базі квантової механіки неможливо описати ситуацію і швидкість елементарної частинки або передбачити її майбутній шлях. Хвилі ймовірності говорять про ймовірність зустріти електрон в тому чи іншому місці.
Квантова теорія вже не допускає цілком об'єктивного опису природи. Людина перейшов на той рівень дослідження, де вплив виявляється непереборним в ході експерименту і фіксується результатом є взаємодія досліджуваного об'єкта і вимірювального приладу.
На підставі квантової механіки пояснюються багато мікропроцеси, що відбуваються в межах атома, ядра і елементарних частинок - з'явилися нові галузі сучасної фізики: квантова оптика і квантова теорія твердого тіла, квантова електродинаміка та багато інших.
I. 2. Основні принципи квантово - механічного опису
2.1 Принцип спостережливості
Згідно з принципом спостережуваності, сформульованому одним із засновників квантової механіки В. Гейзенбергом, «розумно включати в теорію тільки величини, що піддаються спостереженню ...» [12, с. 191].
У будь-якій науці дані спостережень стають зрозумілими лише тоді, коли є теорія. Всі фізичні теорії, які були відомі вченим до створення квантової механіки, містили виключно поняття, прямо і безпосередньо зв'язані з даними спостережень.
ВY = аn Y
Вимірювання має справу безпосередньо з аn, власними значеннями оператора В. Із трьох фізичних конституентов.
В, Y і аn вимірюється лише останній. Всі фізичні теорії, які були відомі вченими до створення квантової механіки, містили виключно поняття прямо і безпосередньо зв'язані з даними спостережень.
У квантовій механіці з'являються раніше невідомі фізикам конструкти, хвильова функція (Y) оператор (В), причому обидва в принципі не можуть бути зареєстровані в експерименті:
В і Y не спостережувані, лише аn фіксується в експерименті.
Квантово-механічна реальність відкривається в експерименті лише однією своєю гранню. Всупереч розхожій думці реальність дана не тільки в експерименті, але і в теорії. Зрозуміло, залишається в силі старе правило: підтвердженням теорії є її згоду з даними спостережень. У науці, у тому числі фізики, дані спостережень ніколи не фігурують окремо від теорії, тобто концептуальної інтерпретації. Головна мета вчених полягає в тому, щоб досягти гармонії, резонансу теорії і експерименту.
2.2 Про наочності квантово-механічних явищ
Все, що відбувається з квантовими об'єктами до фіксації власних значень
аn того чи іншого оператора В, в експерименті не фіксується в безпосередньому вигляді, а тому не дано у наочній формі. Неспроможна всяка спроба представлення собі квантового об'єкта самого по собі, до його взаємодії з макроусловіямі його існування. Квантово-механічні явища як такі неможливо сфотографувати і представити їх зображення, вони не піддаються замальовці. Це й не згустки речовини, і не хвилі розподілені в реальному просторі, і не матеріальні точки, які рухаються по траєкторіях.
Всі спроби уявити собі квантові об'єкти і відбуваються з ними процеси в наочній, тобто підвладної почуттям формі ігнорують специфіку квантової механіки. Бажаючий усвідомити собі природу квантово-механічних явищ повинен записати хвильову функцію Y і ті рівняння, в яких вона фігурує, а потім піддати отримані записи всебічному аналізу, при цьому часто виявляється можливим зображення аналітичних виразів у формі графічних побудов. Природа квантово-механічних явищ така, що вона може бути представлена в аналітико-графічному вигляді, але не у формі зображення об'єктів у просторі.
Квантово-механічні явища такі, якими їх описують рівняння квантової механіки, виходячи з яких можна передбачити, причому імовірнісним чином, результати вимірювань. Ці рівняння не дозволяють передбачити наявність у квантових об'єктів, якихось «прихованих» параметрів, доступних спостереженнями, якщо не справжнім, то майбутнім. При правильному розумінні квантової механіки питання про приховані параметри взагалі не виникає, він ініціюється тими, хто абсолютизує концептуальну базу класичної фізики, в результаті чого переносить її в квантову механіку.
Квантова механіка описує поведінку реальних, а не міфічних частинок, але за допомогою особливих концептуальних засобів, інших, ніж ті, які використовувала класична фізика і від яких довелося відмовитися під тиском експериментальних фактів.
2.3 Співвідношення невизначеностей
Як було вперше помічено В. Гейзенбергом, вимірювані значення координат квантових об'єктів і їх імпульсів підпорядковуються співвідношенням:
Х Рх> ђ, У Ру> ђ, Z Рz> ђ,
де значок позначається - невизначеність. Співвідношення Гейзенберга свідчать про те, що чим чіткіше значення одного з параметрів, що входять в зазначені співвідношення, тим невизначений значення іншого параметра, і, навпаки, чим більше невизначеність координати, тим менше невизначеність імпульсу: мається на увазі, що обидва параметри вимірюються одночасно.
Співвідношення невизначеностей Гейзенберга випливає безпосередньо з квантово-механічного формалізму. Аналіз показав, що співвідношення невизначеностей виконується для тих величин, оператори яких не комутують один з одним. Співвідношення невизначеностей Гейзенберга як показують найпростіші підрахунки, є наслідком наявності некоммутірующіх операторів. Інакше кажучи, природа квантових об'єктів така, що взаімосопряженние (тобто співвідносні з некоммутірующімі операторами) величини пов'язані один з одним рівнянням невизначеностей, у разі взаімосопряженних параметрів. Одночасно точно можна виміряти лише ті величини, яким відповідають комутуючі один з одним оператори.
2.4 Принцип додатковості Н. Бора
Квантові об'єкти відносні до засобів спостереження. Про параметри квантових явищ можна судити лише після ТОО як вони провзаємодіяти із засобами спостереження, тобто приладами.
«Поведінка атомних об'єктів неможливо різко відмежувати від їх взаємодії з вимірювальними приладами, що фіксують умови, при яких відбуваються явища» [9, с.406].
При цьому доводиться враховувати, що прилади, які використовуються для вимірювання параметрів, пов'язаних між собою співвідношенням невизначеностей, різнотипних. Дослідники змушені вдаватися до використання різних установок.
«... Дані, отримані при різних умовах досвіду, не можуть бути охоплені однією-єдиною картиною; ці дані повинні розглядатися як додаткові в тому сенсі. Що тільки сукупність різних явищ може дати більш повне уявлення про властивості об'єкта »[9, с.407]. У цьому якраз і полягає зміст принципу додатковості.
Відповідно до квантової механіки, кожне окремо проведене вимір руйнує мікрооб'єкт: після вимірювання його хвильова функція перестає існувати. Щоб провести вимірювання доводиться заново готувати мікрооб'єкт. Ця обставина істотно ускладнює процес синтезу даних вимірювань в порівнянні з тими. Що має місце у класичній фізиці та спеціальної теорії відносності. У зв'язку з цим Бор якраз і стверджував взаємодоповнюючі квантових вимірювань. Дані класичних вимірів не взаємодоповнюючі, вони просто-напросто співіснують, мають самостійний зміст незалежно один від одного. Взаємодоповнення має місце там, де досліджувані сущі невіддільні одне від одного і взаємопов'язані між собою.
Бор співвідносив принцип додатковості не тільки з фізичними науками. На думку Бора, можливості живих істот настільки різноманітні і так тісно взаємопов'язані, що при їх вивченні знову доводиться звертатися до процедури взаімодополенія даних спостережень. На жаль, ця думка Бора не отримала належного розвитку по теперішній день.
2.5 Тунельний ефект
Будь-який потенційний бар'єр може бути подолано у тому випадку, якщо кінетична енергія тіла (Е) більше його потенційної енергії (U) так би мовити, на вершині бар'єру
Е = U про
З позиції квантової механіки, частинок потрапивши в область потенційного бар'єра, не володіє точним значенням імпульсу, а значить, і кінетичної енергії. У відповідності із співвідношенням невизначеностей, невизначеність імпульсу частинки - це гарантія того, що вірогідність досягнення часткою необхідного для подолання бар'єру імпульсу не дорівнює нулю. Будь-яка квантова частка має шанс подолати потенційний бар'єр. Саме в цьому полягає зміст так званого тунельного ефекту.
Квантово-механічне пояснення тунельного ефекту з позицій класичної фізики здається дивним, але саме воно підтверджується даними численних експериментів.
У термоядерних реакціях відбувається необхідне для їх злиття зближення позитивно заряджених і, отже, отталкивающихся один від одного ядер-реагентів. Значну роль у цьому зближенні знову грає тунельний ефект.
Частка в потенційній ямі
Квантова частинка, яка перебуває в потенційній ямі, в силу невизначеності величини її імпульсу не може спочивати. Отже, її енергія на може бути дорівнює нулю. У повній відповідності з апаратом квантової механіки енергія частинки приймає дискретні (а не будь-які!) Значення.
Потенційна яма-абстракція. У реальній дійсності U = ∞ 
. Використовується ця абстракція для того, щоб зрозуміти веління часток у силових полях.
2.6 Принцип суперпозиції
Принцип суперпозиції полягає в тому, що якщо квантовий об'єкт може знаходитися у станах, що описуються хвильовими функціями, то можливо стан, зображуване хвильової функцією.
Квантово-механічний принцип суперпозиції є уточненням відповідних уявлень класичної фізики. Згідно з останньою, в середовищі, не змінює свої властивості під дією збурень, хвилі поширюються незалежно один від одного. Отже, результуюче обурення в будь-якій точці середовища при поширенні в ній декількох хвиль дорівнює сумі збурень, відповідних кожній з цих хвиль.
ІІ. Чим відрізняються статистичні закономірності в природі від динамічних. Наведіть приклади
Всі теорії можна розділити на два класи: динамічні та статистичні. У класичній фізиці вважалося, що прогноз майбутнього механічної системи здійснюється однозначним чином
Головна відмінність статистичних закономірностей від динамічних в тому, що в статистичних законах необхідність виступає в діалектичному зв'язку з випадковістю, а в динамічних - як абсолютна протилежність випадкового, а звідси випливає висновок:
Динамічні закони являють собою перший низький етап у процесі пізнання оточуючого нас світу.
Статистичні закони забезпечують більш сучасне відображення об'єктивних зв'язків у природі: вони висловлюють наступний, більш високий етап пізнання.
Термін «динамічний» покликаний відобразити причини змін фізичних явищ, якими визнаються сили. Строго кажучи, динамічні закономірності необов'язково пов'язувати саме з феноменом сили (в загальній теорії відносності не використовується поняття сили, а поняття динамічної закономірності залишається в силі). Під динамічними закономірностями маються на увазі однозначні прогнози.
Опинившись перед необхідністю вивчення властивостей систем складаються з дуже великого числа часток (атомів, молекул і т.д.), фізики звернулися до статистики. У складній системі неможливо простежити за історією кожної окремої частки, яка має, як вважали фізики старої школи, чітко визначеними параметрами. Для характеристики складних (макроскопічних) систем стали застосовувати середні значення параметрів частинок, для підрахунку яких використовувалося поняття ймовірності. У статистичних закономірностях здійснюється імовірнісна передбачуваність середніх значень величин мікрооб'єктів. Вважалося, що статистичні закономірності мають своєю основою невероятностное поведінка тих частинок, з яких складаються складні системи.
Фізичні закономірності завжди мають не динамічний, а статистичний (імовірнісний) характер. Поняття динамічної закономірності, фактично. Відноситься не до самих явищ, а до способу їх розгляду. У випадку, якщо нехтують урахуванням квантованности явищ (часто це рівнозначно тому, що постійну Планка h прирівнюють до нуля), замість ймовірнісної передбачуваності з'являється однозначна
У динамічної теорії стан системи визначається значеннями характеризують її фізичних величин. Динамічна теорія дозволяє пророкувати значення фізичних величин, що характеризують систему.
Історично перша наукова теорія - класична механіка - теорія динамічна. Вона стала зразком, за яким кроїлися інші розділи класичного природознавства: термодинаміка, електродинаміка, теорія відносності, теорія хімічної будови, систематика живих істот. Сформувалося переконання, що динамічні теорії несуть найбільш фундаментальне знання.
Теорія, в якій стан системи визначається завданням вірогідності тих чи інших значень фізичних величин відноситься до статистичних теорій.
Статистична теорія дозволяє передбачати лише ймовірності тих чи інших значень фізичних величин, що характеризують систему.
Перші статистичні теорії стали виникати у XІX ст.: Молекулярно-кінетична теорія і, більш широко, статистична механіка у фізиці, дарвінівська теорія еволюції (заснована на уявленнях про невизначеною, тобто випадкової мінливості), Менделеевская генетика. Більшість же нині діючих статистичних теорій з'явилися вже у XІX ст. Зі статистичними теоріями в природознавство увійшло фундаментальне поняття флуктації - це випадкове відхилення характеристик системи від найбільш ймовірного або середнього значення.
Динамічні теорії не враховують і не допускають можливості - флуктації.
Статистичні - допускають, враховують і навіть виводять на передній план.
ІІІ. 1. За яке видатне відкриття два радянських фізика і один американський були удостоєні в 1963р. Нобелівської премії. Як воно пов'язане з квантовою механікою
Н. Г. Басов, А. М. Прохоров, і незалежно від них американський фізик Ч. Таунс використовували явище індукованого випромінювання для створення мікрохвильового генератора радіохвиль з довжиною хвилі рівною 1,27 см. Це був перший квантовий генератор на молекулах аміаку - джерело електромагнітного випромінювання в НВЧ - діапазоні (мазер). Н.Г. Басов висунув ідею застосування напівпровідників для квантових генераторів оптичного діапазону і розвинув методи створення різних типів напівпровідникових лазерів. Виконав низку робіт з теорії потужних імпульсних лазерів на рубіні, зі створення квантових стандартів частоти, взаємодії потужного випромінювання з речовиною. За розробку нового принципу генерації та посилення радіохвиль Н.Г. Басов, А.М. Прохоров і Ч. Таунс у 1963р. були удостоєні Нобелівської премії.
Дуже перспективним є використання лазерного променя для зв'язку, особливо в космічному просторі, де немає поглинають світло хмар.
Створення лазерів - приклад того, як розвиток фундаментальної науки (квантової механіки) призводить до гігантського прогресу в самих різних областях техніки і технології.
Список використаної літератури
1. Горєлов А.А. Концепції сучасного природознавства: навч. посібник. - М: Вищ. Освіта, 2006.
2. Канке В.А. Концепції сучасного природознавства: навч. посібник для студентів вузів. - М.: Логос, 2004.
3. Концепції сучасного природознавства: навч. для вузів / під ред. Проф. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. - М.: ЮНИТИ - ДАНА, 2003.
4. Концепції сучасного природознавства / під ред. Проф. С.І. Самигіна .- Ростов н / Д: «Фенікс», 2005.
5. Ліхіна А.Ф. Концепції сучасного природознавства: навч. - М.: ТК Велбі; Вид-во Проспект, 2006
6. Рузавін Г.І. Концепції сучасного природознавства: навч. для вузів. - М.: Культура і спорт. ЮНИТИ, 1999
7. Машкін Н.Ф. Квантова фізика. - М., 2001.
8. Мігдал А.Б. Квантова фізика і Нільс Бор. - М.: Знання.
І. 1. Особливості становлення квантової механіки та її предмету.
2. Основні принципи квантово-механічного опису.
ІІ. Чим відрізняються статистичні закономірності в природі від динамічних. Наведіть приклади.
ІІІ. 1. За яке видатне відкриття два радянських фізика і один американський були удостоєні в 1963 р. Нобелівської премії. Як воно пов'язане з квантовою механікою.
І. 1. Особливості становлення квантової механіки та її предмету
Квантова механіка - це фізична теорія, що встановлює спосіб опису та закони руху на мікрорівні. Її поява співпала з початком століття. В основі квантово - польовий картини світу (КПКМ) лежить нова фізична теорія - квантова механіка, що описує стан і рух мікрооб'єктів. Це була четверта після механіки, електродинаміки та теорії відносності фундаментальна фізична теорія. Вона є базою для розвитку сучасного природознавства. Її розробка стала найбільшою революцією в пізнанні світу. В основі квантової механіки лежать фундаментальні ідеї про квантуванні фізичних і величин і корпускулярно - хвильовому дуалізмі. Ідея квантування сформувалася на основі ряду відкриттів в кінці XІX - початку XX століть.
У 1897 р. був відкритий електрон, його заряд виявився елементарним тобто самим найменшим, що існують у природі у вільному стані. Заряд будь-якого тіла дорівнює цілому числу елементарних зарядів. Таким чином, електричний заряд дискретний, рівність q = ± ne представляє формулу квантування електричного заряду.
У другій половині XX ст. в результаті дослідження теплового випромінювання було відкрито ряд законів: Кірхгофа, Стефана - Больцмана, Вина
М. Планк у 1900 р. припустив таку теорію (Квантова гіпотеза Планка), що світло випускається неподільними порціями енергії - квантами і математично представив це у вигляді формули
Е = h v
де V - частота світла, а h - універсальна стала, що характеризує міру дискретної порції енергії, якою обмінюються речовина і випромінювання. У атомну теорію увійшли, таким чином, переривчасті фізичні величини, які можуть зміняться тільки стрибками.
Планк ввів у фізику нові вистави. Сам того ж не бажаючи Планк зробив переворот у фізиці. Його гіпотеза стала початком нової квантової фізики (стара отримала назву класичної). Квантова гіпотеза з моменту її появи наполегливо пробивала собі дорогу у фізичних уявленнях і світогляді фізиків. В кінці XІX ст. в результаті експериментів було встановлено три закони фотоефекту - це явище виривання електронів з речовини під дією світла.
Два з них - незалежність енергії вибивається електрон від інтенсивності світла, а залежність її тільки від частоти і наявності для кожної речовини червоною кордону фотоефекту (мінімальної частоти, при якій фотоефект ще можливий) - не пояснювалися на основі уявлень ЕМКМІ.
У 1905 році для вирішення цих труднощів молодий А. Ейнштейн не тільки прийняв квантову гіпотезу Планка, але і розширив її, припустив, що світло не тільки випромінюється квантами, а й поширюється і поглинається квантами
Він першим зрозумів, дискретність - властивість світла. Електромагнітне поле - потік квантів (фотонів) Ейнштейну вдалося пояснити всі експериментальні дані, пов'язані з явищу фотоефекту, випускання речовиною електронів під впливом електромагнітного випромінювання.
Електрони, поглинаючи фотони, збільшують свою енергію і в результаті здатні залишити речовина.
У 1911 англійський фізик Е. Резерфорд припустив модель атома: електрони рухаються за законами Максвелла навколо значно більше масивного атомного ядра. Резерфорд вивчав проходження a - частинок через тонку металеву фольгу. Його модель атома дозволяла пояснити результати експериментів, але вона суперечлива.
У 1913 р. Н. Бор припустив, що електрони перебувають на стаціонарних орбітах і не випромінюють енергію. Порція енергії випромінюється лише при переході з однієї стаціонарної орбіти на іншу:
hv = Ен - Ек
де Ен і Ек - енергія електрона на його початковій і кінцевій орбітах.
Істотно новий імпульс квантово - механічні подання отримали завдяки, висунутої в 1924р. французьким фізиком Л.де Бройлем гіпотези, так званого корпускулярно - хвильового дуаделізма. Він стверджував, що частинки матерії (а не тільки фотони) мають як корпускулярними, так і хвильовими властивостями. Теорія Бора дозволила зрозуміти і пояснити атомні спектри та іншої експериментальний матеріал, накопичений у фізиці в кінці XІX першої чверті XX ст. Це був безперечний успіх. Послідовною теорією атомних і ядерних процесів стала квантова механіка, створена в 1924-1927 рр..
У квантовій механіці однакові частки в однакових умовах можуть поводитися по - різному. Закони квантової механіки - закони статистичного характеру. Квантова механіка відмовляється від пошуку індивідуальних законів елементарних частинок і встановлює статистичні закони.
На базі квантової механіки неможливо описати ситуацію і швидкість елементарної частинки або передбачити її майбутній шлях. Хвилі ймовірності говорять про ймовірність зустріти електрон в тому чи іншому місці.
Квантова теорія вже не допускає цілком об'єктивного опису природи. Людина перейшов на той рівень дослідження, де вплив виявляється непереборним в ході експерименту і фіксується результатом є взаємодія досліджуваного об'єкта і вимірювального приладу.
На підставі квантової механіки пояснюються багато мікропроцеси, що відбуваються в межах атома, ядра і елементарних частинок - з'явилися нові галузі сучасної фізики: квантова оптика і квантова теорія твердого тіла, квантова електродинаміка та багато інших.
I. 2. Основні принципи квантово - механічного опису
2.1 Принцип спостережливості
Згідно з принципом спостережуваності, сформульованому одним із засновників квантової механіки В. Гейзенбергом, «розумно включати в теорію тільки величини, що піддаються спостереженню ...» [12, с. 191].
У будь-якій науці дані спостережень стають зрозумілими лише тоді, коли є теорія. Всі фізичні теорії, які були відомі вченим до створення квантової механіки, містили виключно поняття, прямо і безпосередньо зв'язані з даними спостережень.
ВY = аn Y
Вимірювання має справу безпосередньо з аn, власними значеннями оператора В. Із трьох фізичних конституентов.
В, Y і аn вимірюється лише останній. Всі фізичні теорії, які були відомі вченими до створення квантової механіки, містили виключно поняття прямо і безпосередньо зв'язані з даними спостережень.
У квантовій механіці з'являються раніше невідомі фізикам конструкти, хвильова функція (Y) оператор (В), причому обидва в принципі не можуть бути зареєстровані в експерименті:
В і Y не спостережувані, лише аn фіксується в експерименті.
Квантово-механічна реальність відкривається в експерименті лише однією своєю гранню. Всупереч розхожій думці реальність дана не тільки в експерименті, але і в теорії. Зрозуміло, залишається в силі старе правило: підтвердженням теорії є її згоду з даними спостережень. У науці, у тому числі фізики, дані спостережень ніколи не фігурують окремо від теорії, тобто концептуальної інтерпретації. Головна мета вчених полягає в тому, щоб досягти гармонії, резонансу теорії і експерименту.
2.2 Про наочності квантово-механічних явищ
Все, що відбувається з квантовими об'єктами до фіксації власних значень
аn того чи іншого оператора В, в експерименті не фіксується в безпосередньому вигляді, а тому не дано у наочній формі. Неспроможна всяка спроба представлення собі квантового об'єкта самого по собі, до його взаємодії з макроусловіямі його існування. Квантово-механічні явища як такі неможливо сфотографувати і представити їх зображення, вони не піддаються замальовці. Це й не згустки речовини, і не хвилі розподілені в реальному просторі, і не матеріальні точки, які рухаються по траєкторіях.
Всі спроби уявити собі квантові об'єкти і відбуваються з ними процеси в наочній, тобто підвладної почуттям формі ігнорують специфіку квантової механіки. Бажаючий усвідомити собі природу квантово-механічних явищ повинен записати хвильову функцію Y і ті рівняння, в яких вона фігурує, а потім піддати отримані записи всебічному аналізу, при цьому часто виявляється можливим зображення аналітичних виразів у формі графічних побудов. Природа квантово-механічних явищ така, що вона може бути представлена в аналітико-графічному вигляді, але не у формі зображення об'єктів у просторі.
Квантово-механічні явища такі, якими їх описують рівняння квантової механіки, виходячи з яких можна передбачити, причому імовірнісним чином, результати вимірювань. Ці рівняння не дозволяють передбачити наявність у квантових об'єктів, якихось «прихованих» параметрів, доступних спостереженнями, якщо не справжнім, то майбутнім. При правильному розумінні квантової механіки питання про приховані параметри взагалі не виникає, він ініціюється тими, хто абсолютизує концептуальну базу класичної фізики, в результаті чого переносить її в квантову механіку.
Квантова механіка описує поведінку реальних, а не міфічних частинок, але за допомогою особливих концептуальних засобів, інших, ніж ті, які використовувала класична фізика і від яких довелося відмовитися під тиском експериментальних фактів.
2.3 Співвідношення невизначеностей
Як було вперше помічено В. Гейзенбергом, вимірювані значення координат квантових об'єктів і їх імпульсів підпорядковуються співвідношенням:
Співвідношення невизначеностей Гейзенберга випливає безпосередньо з квантово-механічного формалізму. Аналіз показав, що співвідношення невизначеностей виконується для тих величин, оператори яких не комутують один з одним. Співвідношення невизначеностей Гейзенберга як показують найпростіші підрахунки, є наслідком наявності некоммутірующіх операторів. Інакше кажучи, природа квантових об'єктів така, що взаімосопряженние (тобто співвідносні з некоммутірующімі операторами) величини пов'язані один з одним рівнянням невизначеностей, у разі взаімосопряженних параметрів. Одночасно точно можна виміряти лише ті величини, яким відповідають комутуючі один з одним оператори.
2.4 Принцип додатковості Н. Бора
Квантові об'єкти відносні до засобів спостереження. Про параметри квантових явищ можна судити лише після ТОО як вони провзаємодіяти із засобами спостереження, тобто приладами.
«Поведінка атомних об'єктів неможливо різко відмежувати від їх взаємодії з вимірювальними приладами, що фіксують умови, при яких відбуваються явища» [9, с.406].
При цьому доводиться враховувати, що прилади, які використовуються для вимірювання параметрів, пов'язаних між собою співвідношенням невизначеностей, різнотипних. Дослідники змушені вдаватися до використання різних установок.
«... Дані, отримані при різних умовах досвіду, не можуть бути охоплені однією-єдиною картиною; ці дані повинні розглядатися як додаткові в тому сенсі. Що тільки сукупність різних явищ може дати більш повне уявлення про властивості об'єкта »[9, с.407]. У цьому якраз і полягає зміст принципу додатковості.
Відповідно до квантової механіки, кожне окремо проведене вимір руйнує мікрооб'єкт: після вимірювання його хвильова функція перестає існувати. Щоб провести вимірювання доводиться заново готувати мікрооб'єкт. Ця обставина істотно ускладнює процес синтезу даних вимірювань в порівнянні з тими. Що має місце у класичній фізиці та спеціальної теорії відносності. У зв'язку з цим Бор якраз і стверджував взаємодоповнюючі квантових вимірювань. Дані класичних вимірів не взаємодоповнюючі, вони просто-напросто співіснують, мають самостійний зміст незалежно один від одного. Взаємодоповнення має місце там, де досліджувані сущі невіддільні одне від одного і взаємопов'язані між собою.
Бор співвідносив принцип додатковості не тільки з фізичними науками. На думку Бора, можливості живих істот настільки різноманітні і так тісно взаємопов'язані, що при їх вивченні знову доводиться звертатися до процедури взаімодополенія даних спостережень. На жаль, ця думка Бора не отримала належного розвитку по теперішній день.
2.5 Тунельний ефект
Будь-який потенційний бар'єр може бути подолано у тому випадку, якщо кінетична енергія тіла (Е) більше його потенційної енергії (U) так би мовити, на вершині бар'єру
Е = U про
З позиції квантової механіки, частинок потрапивши в область потенційного бар'єра, не володіє точним значенням імпульсу, а значить, і кінетичної енергії. У відповідності із співвідношенням невизначеностей, невизначеність імпульсу частинки - це гарантія того, що вірогідність досягнення часткою необхідного для подолання бар'єру імпульсу не дорівнює нулю. Будь-яка квантова частка має шанс подолати потенційний бар'єр. Саме в цьому полягає зміст так званого тунельного ефекту.
Квантово-механічне пояснення тунельного ефекту з позицій класичної фізики здається дивним, але саме воно підтверджується даними численних експериментів.
У термоядерних реакціях відбувається необхідне для їх злиття зближення позитивно заряджених і, отже, отталкивающихся один від одного ядер-реагентів. Значну роль у цьому зближенні знову грає тунельний ефект.
Частка в потенційній ямі
Квантова частинка, яка перебуває в потенційній ямі, в силу невизначеності величини її імпульсу не може спочивати. Отже, її енергія на може бути дорівнює нулю. У повній відповідності з апаратом квантової механіки енергія частинки приймає дискретні (а не будь-які!) Значення.
Потенційна яма-абстракція. У реальній дійсності U =
2.6 Принцип суперпозиції
Принцип суперпозиції полягає в тому, що якщо квантовий об'єкт може знаходитися у станах, що описуються хвильовими функціями, то можливо стан, зображуване хвильової функцією.
Квантово-механічний принцип суперпозиції є уточненням відповідних уявлень класичної фізики. Згідно з останньою, в середовищі, не змінює свої властивості під дією збурень, хвилі поширюються незалежно один від одного. Отже, результуюче обурення в будь-якій точці середовища при поширенні в ній декількох хвиль дорівнює сумі збурень, відповідних кожній з цих хвиль.
ІІ. Чим відрізняються статистичні закономірності в природі від динамічних. Наведіть приклади
Всі теорії можна розділити на два класи: динамічні та статистичні. У класичній фізиці вважалося, що прогноз майбутнього механічної системи здійснюється однозначним чином
Головна відмінність статистичних закономірностей від динамічних в тому, що в статистичних законах необхідність виступає в діалектичному зв'язку з випадковістю, а в динамічних - як абсолютна протилежність випадкового, а звідси випливає висновок:
Динамічні закони являють собою перший низький етап у процесі пізнання оточуючого нас світу.
Статистичні закони забезпечують більш сучасне відображення об'єктивних зв'язків у природі: вони висловлюють наступний, більш високий етап пізнання.
Термін «динамічний» покликаний відобразити причини змін фізичних явищ, якими визнаються сили. Строго кажучи, динамічні закономірності необов'язково пов'язувати саме з феноменом сили (в загальній теорії відносності не використовується поняття сили, а поняття динамічної закономірності залишається в силі). Під динамічними закономірностями маються на увазі однозначні прогнози.
Опинившись перед необхідністю вивчення властивостей систем складаються з дуже великого числа часток (атомів, молекул і т.д.), фізики звернулися до статистики. У складній системі неможливо простежити за історією кожної окремої частки, яка має, як вважали фізики старої школи, чітко визначеними параметрами. Для характеристики складних (макроскопічних) систем стали застосовувати середні значення параметрів частинок, для підрахунку яких використовувалося поняття ймовірності. У статистичних закономірностях здійснюється імовірнісна передбачуваність середніх значень величин мікрооб'єктів. Вважалося, що статистичні закономірності мають своєю основою невероятностное поведінка тих частинок, з яких складаються складні системи.
Фізичні закономірності завжди мають не динамічний, а статистичний (імовірнісний) характер. Поняття динамічної закономірності, фактично. Відноситься не до самих явищ, а до способу їх розгляду. У випадку, якщо нехтують урахуванням квантованности явищ (часто це рівнозначно тому, що постійну Планка h прирівнюють до нуля), замість ймовірнісної передбачуваності з'являється однозначна
У динамічної теорії стан системи визначається значеннями характеризують її фізичних величин. Динамічна теорія дозволяє пророкувати значення фізичних величин, що характеризують систему.
Історично перша наукова теорія - класична механіка - теорія динамічна. Вона стала зразком, за яким кроїлися інші розділи класичного природознавства: термодинаміка, електродинаміка, теорія відносності, теорія хімічної будови, систематика живих істот. Сформувалося переконання, що динамічні теорії несуть найбільш фундаментальне знання.
Теорія, в якій стан системи визначається завданням вірогідності тих чи інших значень фізичних величин відноситься до статистичних теорій.
Статистична теорія дозволяє передбачати лише ймовірності тих чи інших значень фізичних величин, що характеризують систему.
Перші статистичні теорії стали виникати у XІX ст.: Молекулярно-кінетична теорія і, більш широко, статистична механіка у фізиці, дарвінівська теорія еволюції (заснована на уявленнях про невизначеною, тобто випадкової мінливості), Менделеевская генетика. Більшість же нині діючих статистичних теорій з'явилися вже у XІX ст. Зі статистичними теоріями в природознавство увійшло фундаментальне поняття флуктації - це випадкове відхилення характеристик системи від найбільш ймовірного або середнього значення.
Динамічні теорії не враховують і не допускають можливості - флуктації.
Статистичні - допускають, враховують і навіть виводять на передній план.
ІІІ. 1. За яке видатне відкриття два радянських фізика і один американський були удостоєні в 1963р. Нобелівської премії. Як воно пов'язане з квантовою механікою
Н. Г. Басов, А. М. Прохоров, і незалежно від них американський фізик Ч. Таунс використовували явище індукованого випромінювання для створення мікрохвильового генератора радіохвиль з довжиною хвилі рівною 1,27 см. Це був перший квантовий генератор на молекулах аміаку - джерело електромагнітного випромінювання в НВЧ - діапазоні (мазер). Н.Г. Басов висунув ідею застосування напівпровідників для квантових генераторів оптичного діапазону і розвинув методи створення різних типів напівпровідникових лазерів. Виконав низку робіт з теорії потужних імпульсних лазерів на рубіні, зі створення квантових стандартів частоти, взаємодії потужного випромінювання з речовиною. За розробку нового принципу генерації та посилення радіохвиль Н.Г. Басов, А.М. Прохоров і Ч. Таунс у 1963р. були удостоєні Нобелівської премії.
Дуже перспективним є використання лазерного променя для зв'язку, особливо в космічному просторі, де немає поглинають світло хмар.
Створення лазерів - приклад того, як розвиток фундаментальної науки (квантової механіки) призводить до гігантського прогресу в самих різних областях техніки і технології.
Список використаної літератури
1. Горєлов А.А. Концепції сучасного природознавства: навч. посібник. - М: Вищ. Освіта, 2006.
2. Канке В.А. Концепції сучасного природознавства: навч. посібник для студентів вузів. - М.: Логос, 2004.
3. Концепції сучасного природознавства: навч. для вузів / під ред. Проф. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. - М.: ЮНИТИ - ДАНА, 2003.
4. Концепції сучасного природознавства / під ред. Проф. С.І. Самигіна .- Ростов н / Д: «Фенікс», 2005.
5. Ліхіна А.Ф. Концепції сучасного природознавства: навч. - М.: ТК Велбі; Вид-во Проспект, 2006
6. Рузавін Г.І. Концепції сучасного природознавства: навч. для вузів. - М.: Культура і спорт. ЮНИТИ, 1999
7. Машкін Н.Ф. Квантова фізика. - М., 2001.
8. Мігдал А.Б. Квантова фізика і Нільс Бор. - М.: Знання.